变温热源制冷系统熵分析研究

    0 引 言

    “孤立系统中,熵的值只能增加,极限情况下保持不变,但不可能减少”这是热力学第二定律最通用的表达方式。由于热力学第一定律不考虑各种能量/质0的差异及能量转换的方向和条件,将它们同等对待,运用于热力系统分析时只能反映能量的/量0的利用程度,并从/量0的利用率角度指出提高系统性能的途径。而熵理论体现了能量退化的趋势,因而是对第一定律的重要补充。近代熵及熵理论表现出惊人的诱惑力而被不断泛化,不仅在众多自然科学领域而且在社会人文科学领域得到普遍运用。在制冷系统中应用熵分析,一方面可揭示制冷循环条件,另一方面可分析各工作过程能量的不可逆损失,为系统和设备优化指明方向和途径。很多文献对恒温热源制冷系统熵分析进行了论述,且以环境温度作为放热源(高温热源)温度,而实际上进入换热器的冷却、被冷却介质都是有限流量的,换热过程中温度不断变化,因此制冷系统都是在变温热源间工作的,且由于温度变化及冷却介质并不一定是环境中的空气等原因,冷却介质的温度通常不等于环境温度,本文试以变温热源蒸汽压缩制冷系统为对象,针对这一矛盾进行分析、探讨。文中以Ta表示环境温度(通常为大气干球温度),Th表示高温热源温度,Tl表示低温热源温度。

    1 制冷系统熵分析

    1.1 制冷循环基本条件

    对以电能或机械能驱动的制冷机,制冷机消耗功W,从低温热源吸收热量Q0(制冷量),低温热源熵减为向高温热源放出热量Qk(冷凝热),高温热源熵增为,则根据热力学第一、第二定律有:

Qk= Q0+ W (1)

    引入平均当量温度[1]结合式(1)则式(2)变为:

    式(3)表示制取冷量Q0,外部补偿功必须满足的条件。

    无论是逆卡诺循环还是劳伦兹循环,可逆制冷机的制冷系数可统一表示为:

    1.2 循环过程附加功

    不可逆过程一定引起熵产,ΔSg是表示不可逆程度的尺度。对封闭绝热体系,ΔSg为体系内工质熵增;对非绝热封闭体系,$Sg为体系内工质熵增与流出、流入系统热量熵差之和;对开口稳定流动体系,ΔSg为流出、流入系统热量熵差和工质熵差之和(通常热量是由介质带走,故亦可理解成ΔSg为流出、流入系统工质熵差)。为补偿不可逆过程中的能量损失(亦称不可逆功、有用功损失或火用损),需消耗的附加功:ΔW = Ta$Sg。

    设制冷机中除冷凝器、蒸发器外无热交换,蒸汽压缩式制冷循环如图1所示。以mr表示制冷剂质量流量,则4个主要过程中的附加功计算方法如表1所示。

    1.3 循环附加功